Kann Schwefel die Lithium-Ionen-Batterie ablösen? Dr. Ulrich Ehmes, CEO des Berliner Start-ups theion, erklärt, wie Lithium-Schwefel-Batterien die dreifache Energiedichte erreichen sollen, zu einem Drittel des Preises und einem Drittel des CO2-Fußabdrucks. Und er verrät, wie der Weg von der Forschung zum industriellen Produkt gelingt.
Das wichtigste aus der Folge
Heutige Elektroautos fahren mit einer Batterietechnologie, die Sony in den 1990er Jahren für Camcorder entwickelt hat. Massenmarkt-Zellen aus Graphit und NMC811 liegen bei rund 300 Wh/kg. theion ersetzt das Kathodenmaterial durch Schwefel und die Graphit-Anode durch Lithium-Metall, mit dem Ziel von 1.000 Wh/kg.
Strategische Kernthemen & Engineering-Hebel
- Schwefel statt NMC: Schwefel ist ein Abfallprodukt der Ölindustrie. Weltweit fallen 80 Mio. Tonnen pro Jahr an, für alle Batterien der Welt 2030 wären nur 5 Mio. Tonnen nötig. Er kostet 20 Cent pro kg statt rund 20 € für NMC, wiegt ein Fünftel und enthält keinen Sauerstoff, der einen Thermal Runaway befeuern könnte.
- Drei Schwachstellen von Schwefel gelöst: Schwefel ist ein Isolator, dehnt sich beim Laden um 79 % aus und löst sich als Polysulfid im Elektrolyt (Shuttle-Effekt). theion begegnet dem mit leitfähiger Beschichtung und Crosslinking, einer volumetrischen Vorausdehnung durch Bestrahlung und einer Kristallstruktur, die den Shuttle-Effekt überwindet. Ohne diese Maßnahmen wäre eine Zelle nach 20 Zyklen tot, in Knopfzellen erreicht theion über 500.
- Eigene Lithium-Metall-Host-Anode: Ein leitfähig und lithiophil beschichtetes Kunststoffgeflecht wird mit Lithium gefüllt. In symmetrischen Zellen traten über 2.000 Zyklen bei 2C und selbst bei 15C keine Dendriten auf, ein Problem, das auch Feststoffbatterien haben.
- Elektrolyt als nächster Hebel: Ziel der ersten Zellgeneration sind 500 Wh/kg und 500 Zyklen. Dafür sinkt das Massenverhältnis von Elektrolyt zu Schwefel von 5 auf 3,5. Ein Polymer-Festelektrolyt soll es nahe 1 bringen und damit 1.000 Wh/kg ermöglichen.
- Vom Labor zur Fabrik: Nach Swagelok- und Knopfzellen baut theion jetzt einlagige Pouchzellen mit 250 bis 500 mAh pro Lage, Ziel sind 20 bis 50 Ah. Danach folgen Multilayer-Pouchzellen und eine automatisierte Pilotlinie in Berlin-Adlershof. Schon eine Fabrik mit 200 bis 500 MWh ist profitabel, eine Gigafactory ist nicht nötig.
- Zwei Geschäftsmodelle: theion will selbst Zellen herstellen, zuerst für Luftfahrt, Drohnen und elektrisches Fliegen, später für E-Autos. Parallel soll die Elektrodenfertigung lizenziert werden. Da Zellassemblierung und Formierung dem Stand der Technik entsprechen, lassen sich bestehende Batteriefabriken umrüsten.
Fazit
Die nächste Disruption bei Batterien kommt über neue Materialien, alles andere ist Evolution. Ulrichs Erfolgsformel lautet Vision × Talent × Durchhaltevermögen × Hauptinvestor, denn ist ein Faktor null, ist alles null. Noch in diesem Jahrzehnt soll die Schwefel-Zellchemie von theion in Produktion gehen.
Häufige Fragen
Was sind die Vorteile von Lithium-Schwefel-Batterien? Schwefel ist weltweit als Abfallprodukt verfügbar, kostet rund 20 Cent pro kg und wiegt ein Fünftel von NMC. Da er keinen Sauerstoff enthält, kann er einen Thermal Runaway nicht befeuern. theion strebt die dreifache Energiedichte heutiger Zellen an.
Warum haben sich Schwefelbatterien bisher nicht durchgesetzt? Schwefel leitet keinen Strom, dehnt sich beim Laden um 79 % aus und löst sich als Polysulfid im Elektrolyt. Ohne Gegenmaßnahmen ist eine Zelle nach rund 20 Zyklen unbrauchbar. theion löst das mit Beschichtung, Crosslinking und Bestrahlung des Schwefels.
Welche Energiedichte erreichen Schwefelbatterien? Heutige Massenmarkt-Zellen liegen bei rund 300 Wh/kg. theion zielt mit der ersten Zellgeneration auf 500 Wh/kg, mit Festelektrolyt auf 1.000 Wh/kg.
Wann kommen Schwefelbatterien auf den Markt? theion will die Zellchemie noch in diesem Jahrzehnt in Produktion bringen. Starten soll es in der Luftfahrt und bei Drohnen, wo geringes Gewicht besonders zählt. E-Autos folgen, weil die Validierung über A-, B- und C-Muster länger dauert.
Können bestehende Batteriefabriken Schwefelbatterien herstellen? Ja, laut theion. Zellassemblierung und Formierung bleiben gleich, nur die Elektrodenfertigung ändert sich. theion will diese lizenzieren, damit Fabriken umrüsten und ihre Anlagen länger nutzen können.
Shownotes
Kontakt Ulrich: https://www.linkedin.com/in/dr-ing-ulrich-ehmes-80033b4/
theion: https://www.theion.de/de
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